某薄壁壳体铣削加工有限元分析

龚宗辉 王许朋

摘要：某薄壁壳体零件在加工中部吊挂及孔结构时，出现零件变形大、振刀严重的问题。本文以某薄壁壳体为研究对象，建立薄壁壳体的三维模型，采用ABAQUS软件对铣削过程中的零件进行模态分析，得到了某薄壁壳体零件的固有频率及对应振型。根据零件加工时的动态特性，改进工艺、避开共振频率，优化加工时的刚性，获得了良好的工艺效果，对工艺方案的优化具有一定的指导意义。

关键词：薄壁壳体;铣削加工;模态分析;工艺优化

中图分类号：TG306                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）02-0090-02

0  引言

某薄壁壳体为某型产品的重要零件，其结构复杂，表面设计有窗口、孔、槽及吊挂等结构。由于其壁厚较薄、硬度高且加工精度要求高，属于弱刚性零件，在铣削加工时零件结构的固有频率极易與周围环境频率（如机床的转速频率）一致，产生变形、振刀缺陷[1-2]。为解决上述问题，利用计算机辅助工程（CAE）技术，分析该薄壁壳体零件加工过程中的固有频率和模态阵型是必不可少的[3]。对此本文基于ABAQUS有限元仿真软件，对某薄壁壳体零件进行模态分析，研究零件在铣削过程中的固有频率及其对应的模态阵型，为零件制造工艺的优化提供理论依据。

1  零件结构特点

某薄壁壳体的结构如图1所示，零件直径为D，长度为L，壳体最薄处仅为1.6mm，属于薄壁圆筒零件。产品外形结构比较复杂（壳体中部设计有吊挂，端部开有多处通孔、通槽）、形位公差及尺寸公差精度要求高（最高精度要求小于0.05mm），结构刚性差。

在铣削加工零件中部吊挂时，原工艺方案采用一端用全包软爪夹持，另一端用顶盖及尾座顶紧的方式进行加工。在进行到精铣工序时，发现零件表面因工艺系统结构刚性较差震刀严重，部分零件甚至出现尺寸超差，难以满足精度要求，为此需对原有工艺方案进行改进优化。

2  薄壁壳体的有限元分析

2.1 有限元模型的建立

为分析原有方案的不足，本文以中部吊挂铣削过程为对象，对薄壁壳体局部加工变形进行研究。因零件在精加工过程中，铣刀直径、铣削宽度和铣削深度相比于零件尺寸都非常小，所以对零件而言铣削过程去除的材料近乎可以忽略，对此本文采用有限元分析的方式对薄壁壳体结构进行模态分析。

①有限元模型的建立。本文选取整个三维模型的方式进行分析。使用UG建立零件三维模型，然后将模型导入ABAQUS中，进而建立有限元分析模型。模型长度为L，直径为D，壁厚为1.6mm，另外为降低计算成本，模型中忽略零件的孔及窗口等结构。

②材料模型的选取。薄壁壳体的材料为马氏体不锈钢（材料牌号为C250）。材料的弹性模量为206Gpa，泊松比为0.3。

③有限元网格划分。本文使用扫掠的方式对薄壁壳体模型进行网格划分。在ABAQUS中进行模态分析必须使用线性摄动分析步[4]，不宜使用六面体单元划分，本文选用单元类型为C3D4的四面体单元。

④边界条件定义。本文对薄壁壳体的两端所有节点采用零位移约束，以模拟薄壁壳体的实际装夹情况。

2.2 薄壁壳体模态分析

本文采用Lanczos法对薄壁壳体进行模态分析，薄壁壳体在装夹时的前8阶固有频率与振型分别如表1、图2所示。

分析前8阶结果可知：①随着阶数的增加，薄壁壳体的固有频率逐渐增加。在前8阶中薄壁壳体的固有频率集中在180～475Hz之间，其中1、2阶，3、4阶，5、6阶，7、8阶的固有频率接近，为模态密集区;2、3阶，4、5阶，6、7阶固有频率相差较远为模态稀疏区。②在前4阶中薄壁壳体的振型比较简单，主要表现为1、2阶径向膨胀变形及3、4阶轴向弯曲变形两种形态，其中振型的最大变形均发生在壳体的1/2处。③第5～8阶，壳体的振型较为复杂，主要表现为径向膨胀变形与轴向弯曲变形的耦合形态，随着阶数的增加，壳体的振型耦合程度越大，壳体的最大变形出现在壳体的1/4，1/2，3/4处。

3  工艺方案优化

由前8阶模态分析可知，薄壁壳体的固有频率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz处，因此在制定铣削工艺时，应选择恰当的铣削速度以避开零件的共振频率。同时由前8阶振型可知，3、4阶时薄壁壳体1/2处有弯曲趋势，说明此处刚性较弱，可在零件1/2处增加中心架以加强零件刚性;其他振型中，零件1/4，1/2，3/4出现径向膨胀趋势，为增加零件内部刚性可在1/4，1/2，3/4处增加内部支撑（如橡胶皮，或者充气气囊等）。按照上述方式改进后，XX批薄壁壳体零件的结构刚性得到显著提高，加工变形及加工振刀现象基本消失，改进后加工工艺可行性得到了验证。

4  结论

本文借助ABAQUS有限元分析软件对某薄壁壳体零件进行三维建模以及模态分析，得到了该零件的前8阶固有频率及模态振型。分析可知：①薄壁壳体的固有频率主要集中在185Hz、246Hz、288Hz、475Hz处，在铣削加工时，应选择恰当的铣削速度以避开零件的共振频率;②由前8阶振型可知，零件的1/4，1/2，3/4处刚性较弱，在1/4，3/4处存在径向膨胀的变形趋势，在1/2处存在弯曲及径向膨胀耦合的复杂变形趋势;③针对零件的振型特点，本文采用内部填充支撑（如橡胶皮，或者充气气囊等）、外部增设中心架的装夹方式，合理选用工艺参数，很好的解决了铣削加工中出现的变形及振刀缺陷，获得了良好的工艺效果。

参考文献：

[1]李广超，许少云，孟超.某大型薄壁铝合金壳体模态分析[J].应用技术，2018，9：71-73.

[2]贾宏伟， 贾宏禹，方勇，等.复杂薄壁结构件铣削加工变形有限元模拟机装夹布局优选[J].长江大学学报（自然版），2015，12（1）：57-60，65.

[3]袁俊淞.复杂薄壁结构件铣削加工变形有限元模拟机装夹布局优选[D].上海：上海交通大学，2011.

[4]庄茁，由小川，等.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M]. 北京：清华大学出版社，2009.